Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

"Spinspiralen" für die Rechner der Zukunft

07.05.2012
Forscher aus Jülich, Hamburg und Kiel schlagen neuen Weg für Informationstransport im Nanomaßstab vor

Wie können Computerdaten zukünftig sicher gespeichert und ausgelesen werden, wenn Rechner immer kleiner werden? Forscher aus Jülich, Hamburg und Kiel schlagen vor, die magnetischen Momente in Ketten aus Eisenatomen zu nutzen.


Magnetische Ordnung von Ketten aus Eisenatomen (gelb/rot) auf einer Iridiumoberfläche (blau/grün), aufgenommen mit einem Rastertunnelmikroskop mit magnetischer Spitze. Zu sehen ist ein etwa 30 mal 30 Nanometer großer Probenausschnitt. Mit dieser Technik, kombiniert mit Computersimulationen, konnten Forscher aus Jülich, Hamburg und Kiel nachweisen, dass sich die magnetische Ordnung gezielt modulieren und zum Transport von Informationen nutzen lässt.
Quelle: Universität Hamburg/Universität Kiel/Forschungszentrum Jülich

Damit lassen sich Informationen im Nanobereich transportieren, und dies schnell, energiesparend, in einem breiten Temperaturbereich und robust gegenüber äußeren Magnetfeldern. Das zeigten die Forscher in Theorie und Experiment. Ihre Arbeit könnte einen Weg für die weitere Miniaturisierung in der Informationsverarbeitung öffnen.

Die internationale Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ veröffentlicht die Ergebnisse in ihrer aktuellen Ausgabe mit besonderer Empfehlung der Redaktion und ergänzt durch einen Kommentar (DOI: 10.1103/PhysRevLett.108.197204 und DOI: 10.1103/Physics.5.53).

Computer speichern Daten bisher in magnetischen Domänen auf der Festplatte, den Bits. Bereits jetzt sind diese Bereiche nach menschlichen Maßstäben fast unvorstellbar klein: Eine 1-Terabyte-Festplatte etwa besitzt acht Billionen Bits. Um aber neue Funktionalitäten möglich zu machen, müssen Computerbauteile auch zukünftig weiter „schrumpfen“. Doch wenn die Bits zu eng beieinander liegen, überlappen ihre magnetischen Felder und das Einschreiben und Auslesen der Daten funktioniert nicht mehr. Deshalb werden neuartige Konzepte nötig. Einen Vorschlag für einen Datentransport im Nanomaßstab machen nun Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich und der Universitäten Hamburg und Kiel.

„Unseres Wissens ist dies ein vollkommen neues Konzept für einen Datentransport in dieser Größendimension“, sagt der Jülicher Physiker Prof. Stefan Blügel, Direktor am Institute of Advanced Simulation und am Peter Grünberg Institut. „Weil das System sehr stabil ist und Informationen damit schnell und energiesparend übertragen werden können, halten wir es für äußerst vielversprechend für zukünftige Anwendungen.“

„Spinspiralen“ nennen die Forscher die spiralförmige Anordnung der magnetischen Eigenschaften (Spins) in Ketten aus Eisenatomen, die sie für ihre Experimente in Doppelreihen auf einer Iridiumoberfläche platziert haben. Es ist das erste Mal, dass Forscher eine solche Ordnung in einer atomaren Kette Atom für Atom beobachtet haben. „Stellen Sie sich eine Spinspirale wie eine Schraube vor“, erläutert Prof. Yuriy Mokrousov vom Jülicher Institute of Advanced Simulation. „Wenn Sie den Kopf der Schraube packen und drehen, pflanzt sich diese Drehung bis zur Spitze fort. Das heißt, Sie können die Stellung des Schraubenkopfs erkennen, wenn Sie die Position der Spitze kennen.“

Stark vereinfacht stellt dieser Vergleich dar, wie die Spinspiralen zukünftig Daten transportieren sollen: Verbindet man sie an einem Ende mit einem magnetisierten Objekt, lässt sich am anderen Ende, wenige Atome und bis zu drei Hunderttausendstel Millimeter entfernt (30 Nanometer) dessen magnetische Ausrichtung ablesen. So könnte man zukünftig Daten dichter komprimieren und über die Spinspiralen auslesen. „Besonders interessant“, sagt Prof. Blügel, „ist dabei die Tatsache, dass der Drehsinn der atomaren Schraube, den wir in der Fachsprache Chiralität nennen, sehr stabil ist auch bei relativ warmen Temperaturen.“ Die Forscher haben das System bei bis zu 100 Kelvin untersucht.

Physikalisch betrachtet besitzen die Spinspiralen eine komplexe magnetische Ordnung – Fachleute sprechen von „nicht-kollinear“, weil die Spins benachbarter Atome nicht parallel aufgereiht sind, wie es in einfachen magnetischen Materialien der Fall ist. Die komplexe Ordnung bringt Vorteile für mögliche Anwendungen mit sich: Zum Beispiel zeigt sie von außen betrachtet nur eine kleine Restmagnetisierung; deshalb sind die Gebilde unempfindlich gegenüber externen Magnetfeldern. Gleichzeitig lassen sie sich aber durch magnetische Objekte an den Enden leicht beeinflussen, wichtig für einen effizienten Informationstransport.

Die Proben wurden in Hamburg hergestellt und untersucht. Die Forscher nutzten ein Rastertunnelmikroskop mit magnetischer Spitze, um die magnetische Struktur der Probenoberfläche zu messen. In Jülich wurden sehr aufwendige Computersimulationen durchgeführt, um die Messdaten zu analysieren und um zu verstehen, warum sich die Spinspiralen bilden. Die Forscher planen nun zu untersuchen, ob das System auch bei höheren Temperaturen bis hin zu Raumtemperatur stabil ist.

Magnetische Ordnung von Ketten aus Eisenatomen (gelb/rot) auf einer Iridiumoberfläche (blau/grün), aufgenommen mit einem Rastertunnelmikroskop mit magnetischer Spitze. Zu sehen ist ein etwa 30 mal 30 Nanometer großer Probenausschnitt. Mit dieser Technik, kombiniert mit Computersimulationen, konnten Forscher aus Jülich, Hamburg und Kiel nachweisen, dass sich die magnetische Ordnung gezielt modulieren und zum Transport von Informationen nutzen lässt.
Quelle: Universität Hamburg/Universität Kiel/Forschungszentrum Jülich

Originalveröffentlichung:
Information Transfer by Vector Spin Chirality in Finite Magnetic Chains; M. Menzel et al.; Phys. Rev. Lett. 108, 197204 (2012); DOI:10.1103/PhysRevLett.108.197204
Viewpoint: Pushing Bits Through a Spin Wire; Shigeki Onoda; Physics 5, 53 (2012); DOI: 10.1103/Physics.5.53

Weitere Informationen:
Zur Pressemitteilung vom 10.05.2007 „Supercomputer zeigt: Nanoschichten haben Sinn für Drehungen“: http://www2.fz-juelich.de/portal/index.php?index=163&jahr=2007&cmd=show&mid=479

Forschung am Institut Quanten-Theorie der Materialien (PGI-1/IAS-1): http://www.fz-juelich.de/pgi/pgi-1/DE/Home/home_node.html

Forschung am Institut für Angewandte Physik der Universität Hamburg: http://www.nanoscience.de/group_r/stm-spstm/

Forschung am Institut für Theoretische Physik und Astrophysik der Universität Kiel: http://www.itap.uni-kiel.de/theo-physik/heinze/

Ansprechpartner:
Prof. Dr. Yuriy Mokrousov,Institut Quanten-Theorie der Materialien (PGI-1/IAS-1)
Tel. 02461 61-4434
y.mokrousov@fz-juelich.de

Pressekontakt:
Angela Wenzik, Wissenschaftsjournalistin
Tel. 02461 61-6048
a.wenzik@fz-juelich.de

Angela Wenzik | Forschungszentrum Jülich
Weitere Informationen:
http://www.fz-juelich.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Laser-Metronom ermöglicht Rekord-Synchronisation
12.01.2017 | Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY

nachricht VLT auf der Suche nach Planeten im Sternsystem Alpha Centauri
10.01.2017 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Mit solaren Gebäudehüllen Architektur gestalten

Solarthermie ist in der breiten Öffentlichkeit derzeit durch dunkelblaue, rechteckige Kollektoren auf Hausdächern besetzt. Für ästhetisch hochwertige Architektur werden Technologien benötigt, die dem Architekten mehr Gestaltungsspielraum für Niedrigst- und Plusenergiegebäude geben. Im Projekt »ArKol« entwickeln Forscher des Fraunhofer ISE gemeinsam mit Partnern aktuell zwei Fassadenkollektoren für solare Wärmeerzeugung, die ein hohes Maß an Designflexibilität erlauben: einen Streifenkollektor für opake sowie eine solarthermische Jalousie für transparente Fassadenanteile. Der aktuelle Stand der beiden Entwicklungen wird auf der BAU 2017 vorgestellt.

Im Projekt »ArKol – Entwicklung von architektonisch hoch integrierten Fassadekollektoren mit Heat Pipes« entwickelt das Fraunhofer ISE gemeinsam mit Partnern...

Im Focus: Designing Architecture with Solar Building Envelopes

Among the general public, solar thermal energy is currently associated with dark blue, rectangular collectors on building roofs. Technologies are needed for aesthetically high quality architecture which offer the architect more room for manoeuvre when it comes to low- and plus-energy buildings. With the “ArKol” project, researchers at Fraunhofer ISE together with partners are currently developing two façade collectors for solar thermal energy generation, which permit a high degree of design flexibility: a strip collector for opaque façade sections and a solar thermal blind for transparent sections. The current state of the two developments will be presented at the BAU 2017 trade fair.

As part of the “ArKol – development of architecturally highly integrated façade collectors with heat pipes” project, Fraunhofer ISE together with its partners...

Im Focus: Mit Bindfaden und Schere - die Chromosomenverteilung in der Meiose

Was einmal fest verbunden war sollte nicht getrennt werden? Nicht so in der Meiose, der Zellteilung in der Gameten, Spermien und Eizellen entstehen. Am Anfang der Meiose hält der ringförmige Proteinkomplex Kohäsin die Chromosomenstränge, auf denen die Bauanleitung des Körpers gespeichert ist, zusammen wie ein Bindfaden. Damit am Ende jede Eizelle und jedes Spermium nur einen Chromosomensatz erhält, müssen die Bindfäden aufgeschnitten werden. Forscher vom Max-Planck-Institut für Biochemie zeigen in der Bäckerhefe wie ein auch im Menschen vorkommendes Kinase-Enzym das Aufschneiden der Kohäsinringe kontrolliert und mit dem Austritt aus der Meiose und der Gametenbildung koordiniert.

Warum sehen Kinder eigentlich ihren Eltern ähnlich? Die meisten Zellen unseres Körpers sind diploid, d.h. sie besitzen zwei Kopien von jedem Chromosom – eine...

Im Focus: Der Klang des Ozeans

Umfassende Langzeitstudie zur Geräuschkulisse im Südpolarmeer veröffentlicht

Fast drei Jahre lang haben AWI-Wissenschaftler mit Unterwasser-Mikrofonen in das Südpolarmeer hineingehorcht und einen „Chor“ aus Walen und Robben vernommen....

Im Focus: Wie man eine 80t schwere Betonschale aufbläst

An der TU Wien wurde eine Alternative zu teuren und aufwendigen Schalungen für Kuppelbauten entwickelt, die nun in einem Testbauwerk für die ÖBB-Infrastruktur umgesetzt wird.

Die Schalung für Kuppelbauten aus Beton ist normalerweise aufwändig und teuer. Eine mögliche kostengünstige und ressourcenschonende Alternative bietet die an...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Aquakulturen und Fangquoten – was hilft gegen Überfischung?

16.01.2017 | Veranstaltungen

14. BF21-Jahrestagung „Mobilität & Kfz-Versicherung im Fokus“

12.01.2017 | Veranstaltungen

Leipziger Biogas-Fachgespräch lädt zum "Branchengespräch Biogas2020+" nach Nossen

11.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Feinstaub weckt schlafende Viren in der Lunge

16.01.2017 | Biowissenschaften Chemie

Energieeffizienter Gebäudebetrieb: Monitoring-Plattform MONDAS identifiziert Einsparpotenzial

16.01.2017 | Messenachrichten

Nervenkrankheit ALS: Mehr als nur ein Motor-Problem im Gehirn?

16.01.2017 | Biowissenschaften Chemie